科研新聞

北京大學工學院董蜀湘課題組利用自主研發的3D打印設備制備高功率密度柔性壓電能量回收器并取得重要進展

2019-10-31

從機械應變、運動、光、熱、磁場等自然資源中獲取能量已經成為穿戴式、自供電電子、物聯網無線傳感器網絡(WSNs)等領域的研究熱點。能量收集機械應變和運動,傳統方法有壓電,靜電,和電磁等。然而,作為一個典型的自供電、自感知的可穿戴設備,壓電能量收集器表現出結構簡單、小型化和更高的能量密度等優點。相比傳統的無機陶瓷和單晶材料,PVDF及其共聚物因其柔性、靈活的設計、小的聲阻抗,以及寬響應頻率和高化學穩定性,因此更適合應用于可穿戴電子、步行發電等應用。但與無機壓電陶瓷或壓電單晶相比,因其壓電系數、介電常數很小,因此產生的功率密度一直偏低。

最近,北京大學工學院董蜀湘課題組,在北京市科技專項資助下,研發了具有自主知識產權的3D打印設備,獲得授權中國發明專利。利用自主研發的3D打印設備成功制備了多層PVDF-TrFE薄膜以及研制了具有彎張效應的橄欖球新穎結構壓電能量收集器,其表觀壓電系數及功率密度獲得了顯著提升。實驗結果表明3D打印的橄欖球能量收集器在頻率為3.5 HZ,壓強為0.046 MPa的機械壓力下,可以產生88.6 Vp-p的峰值電壓和0.35 mA的短路電流;它的單位面積峰值輸出功率密度更是高達16.4 mW/cm 2,這比其它柔性壓電發電材料的功率密度高出一個量級,也和太陽能電池的功率密度相當。提出的3D打印多層柔性壓電薄膜制備方法和橄欖球彎張機制能量采集設計,在未來的具有自傳感、自供電功能的柔性可穿戴電子設備、無線傳感器網絡、自發電智能道路等,具有巨大發展潛力。這項研究成果也證明3D打印工藝是一種簡單、有效的方法,在未來的柔性、微電子器件制備領域也有應用前景。該成果在線發表在《能源與環境科學》(Energy & Environmental Science, IF= 33.25),題目為“The large piezoelectricity and high power density of a 3D-printed multilayer copolymer in a rugby ball-structured mechanical energy harvester”。文章鏈接為:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/ee/c9ee01785b#!divAbstract(DOI:10.1039/C9EE01785B)。


董蜀湘課題組成果在線發表于《能源與環境科學》


能量回收器設計與性能測試圖:(a)樣品結構回收示意圖; (b)能量回收器應用圖; 在3.5 HZ頻率,不同負載阻抗條件下,能量回收輸出功率(c)和電流(d)。

該成果第一作者是北京大學工學院材料系17級博士生袁小婷,董蜀湘教授是論文唯一通訊作者。研究獲得了國家自然科學基金委(51772005,51132001)、北京市科技專項、磁電功能材料與器件北京市重點實驗室、新奧能源科技的資助。

 
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